Estudio numérico-experimental del comportamiento mecánico-estructural de tubos de hormigón reforzado con fibras de acero

Abstract

La utilización de tubos de sección circular es la opción m ´ as difundida en la actualidad para aplicaciones de drenajes urbanos. La consideración de las fibras de acero como material de refuerzo en tubos de hormigón, en sustitución completa o parcial de la tradicional armadura, podrían tener un impacto positivo en la optimización del producto. Este impacto positivo esta relacionado con las propiedades mejoradas del hormigón reforzado con fibras (HRFA) en comparación con el hormigón tradicional reforzado con barras, entre las que se destacan un mejor comportamiento a tracción principalmente en estado pos-fisura junto con una mayor ductilidad y capacidad de deformación. Las dificultades actuales respecto a su uso están asociadas principalmente a la necesidad de un mayor conocimiento del comportamiento del HRFA aplicado a este tipo de estructuras y también a la escasez de modelos numéricos capaces de predecir aproximadamente el desempeño de los tubos. En este trabajo se investiga el comportamiento mecánico-estructural de tubos de HRFA elaborado con materiales y sistemas de fabricación utilizados por nuestra industria. Para ello, se plantea un modelo representativo de dos fases (hormigón-fibras) que considera la orientación y distribución aleatoria de las fibras dentro de la masa de hormigón y la influencia de dichas variables en la capacidad resistente del tubo. El modelo así propuesto tiene en cuenta también la proporción y geometría de la fibra. Para el hormigón se utiliza un modelo constitutivo desarrollado por el FIB MODELCODE 2010 mientras que para las fibras se utiliza un modelo de material que tiene en cuenta el fenómeno de arrancamiento de manera macroscópica. El modelo numérico desarrollado es implementado en un programa de elementos finitos, el cual reproduce el comportamiento mecánico de tubos de HRFA al someterlos a un ensayo de compresión diametral normalizado. Se llevo a cabo a su vez una campana experimental a escala real y los resultados ˜ obtenidos son comparados entre si. Finalmente se realizo una estimación teórica de los resultados obtenidos numérica y experimentalmente. La metodología propuesta permite analizar la influencia de la orientación y distribución de las fibras en la capacidad resistente del tubo. Del estudio numérico se concluye que dichas variables tienen una influencia significativa en el comportamiento de los tubos estudiados aquí. Por su parte, de la campana experimental se puede concluir que las fibras pueden utilizarse, en dosis adecuadas, como reemplazo de la armadura tradicional y que su utilización modifica tanto la capacidad de carga como el modo de falla en tubos.

The use of circular section pipes is currently the most widespread option for urban drainage applications. The consideration of steel fibers as reinforcement in concrete pipes, in complete or partial replacement of the traditional steel bars, could have a positive impact in the optimization of the product. This positive impact is related with the improved properties of steel fiber reinforced concrete (SFRC) compared with traditional bar reinforced concrete, among which, a better tensile behaviour in postcrack regime together with a greater ductility and deformation capacity are highlighted. The current drawbacks about its use are mainly associated with the needing of a better knowledge of the mechanical behaviour of SFRC applied to this type of structures and also the lack of numerical models capable of predicting the mechanical behaviour of pipes. In this work, the mechanical-structural behaviour of SFRC pipes manufactured with materials and fabrication processes used by our industry is investigated. To do this, a two phase representative model (concrete-fibers), which considers the random orientation and distribution of the fibers in the concrete mass and the influence of such variables in the bearing capacity of pipes, is proposed. The proposed model take into account the dosage and geometry of the fiber. For concrete, a constitutive model developed by the FIB MODEL CODE 2010 is used, while for the fibers is used a material model that considers the pullout phenomenon in a macroscopic way. The developed numerical model is implemented in a finite element software, to reproduce the mechanical behaviour of SFRC pipes when are submitted to a standarized diametral compression test. A full scale experimental campaing was carried out and the obtained results are compared each other. Finally, a theoretical estimation of the results obtained numerically and experimentally was performed. The proposed methodology allows to analyze the influence of the orientation and distribution of fibers in the bearing capacity of pipes. From the numerical study is concluded that such variables have a significant influence in the behaviour of the pipes studied here. For its part, from the experimental campaing can be concluded that the fibers can be used, in adequated dosages, as replacement of the traditional rebar and that its usage modifies both the bearing capacity as the failure mode of pipes.